串级过程控制系统设计--专业技术实习

1、专业技术实习报告水塔温度控制系统设计专业年级：测控技术与仪器2009级姓名：刘德雄学号：0907010315指导教师：张禾 石明江报告日期：一.水塔温度控制系统设计背景随着科学技术的发展，自动控制在现代工业中起着主要的作用，目前已广泛 应用于工农业生产及其他建设方面。生产过程自动化是保持生产稳定、降低成木、 改善劳动成本、促进文明生产、保证生产安全和提高劳动生产率的重要手段，是 20世纪科学与技术进步的特征，是工业现代化的标志之一。可以说，自动化水 平是衡量一个国家的生产技术和科学水平先进与否的一项重要标志。本次专业技术实习主要是针对水塔温度控制系统的设计。水塔温度控制系统 主要是使水塔内部温

2、度保持在一个设定值范围内。进水水量的增加会使得水塔内 部温度降低。同吋，水的比热容大，吸热过程缓慢，系统滞后严重。而木系统主 干扰主要存在于进水水量中，故给控制系统的设计带来了困难，简单控制系统并 不能达到控制耍求。水塔温度控制系统总体设计过程控制系统由过程检测、变送和控制仪表、执行装置等组成，通过各种类 型的仪表完成对过程变量的检测、变送和控制，并经执行装置作用于生产过程。串级控制系统是两只调节器串联起来工作，其屮一个调节器的输出作为另一 个调节器的给定值的系统。此系统改善了过程的动态特性，捉高了系统控制质量, 能迅速克服进入副冋路的二次扰动，提高了系统的工作频率，对负荷变化的适应 性较强。

3、串级控制系统工程应用场合如下：(1) 应用于容量滞后较大的过程；(2) 应用于纯时延较大的过程；(3) 应用于扰动变化激烈而月.幅度大的过程；(4) 应用于参数互相关联的过程；(5) 应用于非线性过程。正因为串级控制系统具冇上述特点，所以本次设计采用串级控制系统对锅炉 汽包温度进行控制。本次设计采用单片机作为主控制器，水塔温度为主被控对象，上水的流量为 副被控对彖，电磁阀为执行器，利用ad590传感器检测水塔温度，利用流量传感 器检测上水流量。水塔温度串级控制系统框图如图1.1所示，系统原理图如图 1. 2所示，水塔温度控制系统硬件电路原理图如图1. 3所示。图1.2水塔温度串级控制系统原理图

4、执行器图1.3水塔温度控制系统硬件电路原理图三.水塔温度控制系统硬件设计3.1温度传感器的选择主控对象检测元件选择为温度传感器ad590oad590是美国analog devices公司的单片集 成两端感温电流源，英输出电流与绝对温度成比例。 在4 v至30 v电源电压范围内，该器件可充当一 个高阻抗、恒流调节器，调节系数为1 pta/ko片 内薄膜电阻经过激光调整，可用于校准器件，使该 器件在29& 2k (25° c)时输出298. 2 ma电流。ad590适用于150° c以下、目前采用传统电气温度传感器的任何温度检测应用。低成本的单芯图3.1 ad590片集

5、成电路及无需支持电路的特点，使它成为许多温度测量应用的一种很有吸引力的备选方案。应用ad590时，无需线性化电路、精密电压放大器、电阻测量电路和冷结补偿。除温度测量外，还可用于分立器件的温度补偿或校正、与绝对温度成比例的 偏置、流速测量、液位检测以及风速测定等。ad590可以裸片形式提供，适合受 保护环境下的混合电路和快速温度测量。ad590特别适合远程检测应用。它提供高阻抗电流输出，对长线路上的压降不敬感。任何绝缘良好的双绞线都适用，与 接收电路的距离可达到数百英尺。这种输出特性还便于ad590实现多路复用：输 出电流可以通过一个cmos多路复用器切换，或者电源电压可以通过一个逻辑门 输出切

6、换。ad590的主要特性：(1) 流过器件的电流3 a)等于器件所处环境的热力学温度(开尔文)度数:ir/t=l (1)式中，it流过器件(ad590)的电流，单位为ua； t热力学温度，单位 为k；(2) ad590 的测温范围为-55°o150°c；(3) ad590的电源电压范围为430 v,可以承受44 v正向电压和20 v反 向电压，因而器件即使反接也不会被损坏；(4) 输岀电阻为710 mq；(5) 精度高,ad590在-55°c+-150°c范围内,非线性误差仅为土0. 3°co3.2流量传感器的选择副控回路检测元件选择屯磁式流量

7、传感器。导电性的液体在流动吋切割磁力线，也会产生感 生电动势。因此口j应用电磁感应定律来测定流速， 电磁流量传感器就是根据这一原理制成的。虽然电磁流量传感器的使用条件是要求流体是导电的，但它还是有许多优点。rtr丁电极的距离正好为导管的内径，因此没有妨电磁流星传感器容积流量成正比的输出信号。测量结果不受流体图3.2电磁流量传感器碍流体流动的障碍，压力损失极小。能够得到与粘度的影响。rtr丁电动势是在包含电极的导管的断面处作为平均流速测得的，因 此受流速分布影响较小。测量范围宽，测量精度高。3.3模拟多路开关的选择多路开关选用cd4052ocd4052/cc4052是一个差分4通道数字控制模拟开

8、关，有a、b两个二进制 控制输入端和1nh输入，具冇低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为4. 520v 的数字信号可控制峰峰值至20v的模拟信号。例如，若v dd=+5v, vss二0,vee二-13.5v,则05v的数字信号可控制-13.54. 5v的模拟信号，这些开关电 路在整个vdd-vss和vdd-vee电源范围内具冇极低的静态功耗，与控制信号的逻 辑状态无关，当inh输入端二“1”时，所有通道截止。二位二进制输入信号选通 4对通道中的一通道，可连接该输入至输出。3.4运算放大器的选择运算放大器选用超低温漂移高精度运算放大器0p07o0p07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性(双电源

9、供电)运算放大器 集成电路。由于0p07具有非常低的输入失调电压(对于0p07a最大为25m v), 所以0p07在很多应用场合不需要额外的调零措施。0p07同时具有输入偏置电流 低(0p07a为±2na)和开环增益高(对于0p07a为300v/mv)的特点，这种低失 调、高开环增益的特性使得0p07特别适用于高增益的测量设备和放 大传感器的 微弱信号等方面。特点：超低偏移：150u v最大。低输入偏置电流：1.8na o低失调电压漂移：0. 5 u v/°c o超稳定，时间：2 11 v/month最大高电源电压范围：±3v至±22v3.5 ad转换器

10、的选择a/d转换电路采用adc0809转换器。adc0809是美国国家半导体公司生产的cmos工艺8通道，8位逐次逼近式 a/d模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后 的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行a/d转换。是目前国内应用最广 泛的8位通用a/d芯片。主要特性：(1) 8路输入通道，8位a/d转换器，即分辨率为8位。(2) 具冇转换起停控制端。(3) 转换时间为100n s(时钟为640khz时)，130 u s (时钟为500khz 时)(4) 单个+5v电源供电(5) 模拟输入电压范围0+5v,不需零点和满刻度校准。(6) 工作温度范围为-40+8

11、5摄氏度(7) 低功耗，约15mwoadc0809将采集来的模拟信号转换成数字信号输出转换完成的信号eoc经反 相器接单片机的p3. 2 口，a/d转换电路如图3. 3所示。2"-442224?-oocx stakt exabu"<)aum.7adkagbduadd4eoc»ud<3diddmdi4)106 丄2223图3.3 a/d转换电路3.6单片机的选择选用单片机作为控制器，对水塔温度进行 控制。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、 造价低和开发周期短等优点，称为自动化和各 个测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中 称为必不可少的器件，尤其是在日

12、常生活屮发 挥的作用也越来越人。在温度控制系统中，单片机更是起到了不 可替代的核心作用。单片机接受a/d转换电路输入的数字信 号，并将输入的信号进行处理和运算，以控制0 12 311 1< la 11 p p p p4 5 6 711 la *1 1a p p p p3119t81716电流或者控制电床的形式输出给被控制的电路,0 12 3 o o o o p p p p4 5 6 7popopopointip20intop21t1at89c51p22p23top24p25ea/vpp26p27xix2resetrxdtxdrdale/pwrpsen图3. 4 at89c51引脚图383

13、7363534333221222324252627283910tt30完成控电磁阀的任务。木设计的单片机选用atmel公司的at89c51单片机，釆用双列直插封装(dtp),有40个引脚与mcs-51系列单片机的指令和引脚设置兼容。at89c51引脚图，如图3. 4所示。3.7电源设计由10v交流电供电，经过桥式整流，电容滤波，得到12v的直流电压， 12v的直流电压与mc7805t芯片，以及电容相接，产生+5v电压，给系统供 电。f12v+12vvin 牙 +5vi05tlouggj；joo世cmzzo.luf二二0.1 uf e4ac10v图3.5电源电路3.8执行器的选择执行器选择气开型

14、电磁阀。通过控制阀的开度来实现流量控制。气开型是当膜头上空气压力增加时, 阀门向增加开度方向动作，当达到输入气压上限吋，阀门处于全开状态。 反过來，当空气压力减小时，阀门向关闭方向动作，在没有输入空气时， 阀门全闭。故有时气开型阀门乂称故障关闭型。气关型动作方向正好与气 开型相反。当空气压力增加吋，阀门向关闭方向动作，空气压力减小或没 有时，阀门向开启方向或全开为止。故有时乂称为故障开启型。气动调节 阀的气开或气关，通常是通过执行机构的正反作用和阀态结构的不同组装 方式实现。气开气关的选择是根据工艺生产的安全角度出发来考虑。当气 源切断时，调节阀是处于关闭位置安全还是开启位置安全。3.8采样检

15、测电路设计为了达到测量高精度的耍求，选用温度传感器ad590, ad590具有较高精 度和重复性，超低温漂移高精度运算放大器0p07将温度一电压信号进行放 大，便于a/d进行转换，以提高温度采集电路的可靠性。采样检测电路如图3. 6 示。图3.6采样检测电路四.水塔温度控制系统软件设计4.1水塔温度串级控制系统仿真水塔温度串级控制系统仿真，积分环节initials,两个检测变送环节 参数设定时间常数t=0.01s,扰动通道传函为时间常数t=2so输入信号和 扰动信号皆为单位阶跃信号。扰动作用时间f1为step time=50s,4.2系统对象特性设计水塔温度串级控制系统选择水塔温度为主被控对象

16、，副被控对象为上水流量。当水塔温度变化的时候，通过控制上水流量改变水塔温度，并最终使其恒定。主被控对象：水塔温度叫（叱;爲副被控对象：上水流量w副（s）-tp2s+14.3 pid控制器参数整定pid控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程 的特性确定pid控制器的比例系数、积分吋间和微分吋间的大小。因为本 设计中主控制器采用刃控制规律，故仅对刃控制器的参数进行整定。参数整定的一般步骤：（1）确定比例系数p确定比例系数p吋，首先去掉刃的积分项，首先令=°,使円为纯 比例调节。输入设定为系统允许的最大值的60%70%,由0逐渐加大比例系数戶，直至系统出现振荡；再反过來

17、，从此时的比例系数p逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时的比例系数卩，设定刃的比例系数卩为当前值 的60%70%。比例系数戶调试完成。（2）确定积分时间常数忑比例系数p确定后，设定一个较大的积分吋间常数刁的初值，然后逐渐 减小人，直至系统出现振荡，之后在反过来，逐渐加大爲，直至系统振荡消失。记录此时的爼，设定刃的积分时间常数人为当前值的150%180%。积 分吋间常数氏调试完成。（3）再对刃参数进行微调，直至满足要求。4.4程序设计主程序流程图如图4.2所示。图4.2水塔温度控制系统主程序流程图4. 5温度控制算法程序设计增量式pid控制算法公式如下：半 ek + tgl + ez 1+牛）e

18、ji + kp 半 e弧=uk - uk_i = kp|ek- ek_! +=kp在模拟控制系统中，控制器中最常用的控制规律是pid控制规律。pid 控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差。pid 控制规律写成传递函誓剧1+半 + 令）-kp分时间常数;式屮,形式铀“门 1丁、“ ki “= -r=kp + + tds） = kp+ +k（lsu （$）ttss ktj =;&为积分系数；k 为微分系数；'k,为积为微分时间常数；简单来说，p1d控制各校正环节的作用如下:（1）比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生, 控制器立即产生控制作用

19、，以减少偏差。（2）积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的 强弱取决于积分时间常数乃，人越大，积分作用越弱，反之则越强。（3）微分环节：反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系 统的动作速度，减少调节时间。实验过程1、在matlab命令窗口中输入“simulink”进入仿真界面。2、构建pid控制器：（1）新建simulink模型窗口（选择 "file/new/model ”），在 simulink library browser 中将需要的模块拖动到新建的窗口中，根据pid控制器的传递函数构建出

20、如下模型：oain2oz>in1图4.3 pid控制器各模块如下：math operations模块库中的gain模块，它是增益。拖到模型窗口屮后，双击模块，在弹出的对话框中将分别改为'kp'、'kd ,表示这三个增益系数。continuous模块库中的integrator模块，它是积分模块；derivative 模块，它是微分模块。math operations模块库屮的add模块，它是加法模块，默认是两个 输入相加，双击该模块，将'list of signs'框屮的两个加号（+）后输 入一个加号（+ ）,这样就改为了三个加号，用来表示三个信号的

21、叠加。ports & subsystems模块库中的ini模块（输入端口模块）和out 1 模块（输出端口模块）。（2）将上述结构图封装成pid控制器。 创建子系统。选屮上述结构图后再选择模型窗口菜单“edit/creat subsystem" 封装。选中上述子系统模块，再选择模型窗口菜单“ edit/masksubsystem” 根据需要，在封装编辑器对话框中进行一些封装设置，包括设置封装 文本、对话框、图标等。本次试验主要需进行以下儿项设置：lcon（图标）项:"drawing commandsw编辑框中输入"disp（ "pid'）

22、 ”， 如下左图示:parameters （参数）项：创建kp, ki, kd三个参数，如下右图示:图4.4p1d控制器至此，pid控制器便构建完成，它可以像simulink自带的那些模块一 样，进行拖拉，或用于创建其它系统。3、搭建一单回路系统结构框图如下图所示：10($*1xs*2xs*3x$*4)>1=1scope图4.5 pid控制器所需模块及设置:sources模块库中step模块；sinks模块库中的scope模块;commonly used blocks模块库中的mux模块;continuous模块库中的zero-pole模块。step模块和zero-pole模块设置如下:

23、图4.6 pid控制器4、构建好一个系统模型后，就可以运行，观察仿真结果。运行一个仿 真的完整过程分成三个步骤：设置仿真参数、启动仿真和仿真结果分析。选择菜单simulation/confiuration parametersw ,可设置仿真时间与 算法等参数，如下图示：其中默认算法是ode45 （四/五阶龙格-库塔法）， 适用于人多数连续或离散系统。5、双击pid模块，在弹出的对话框中可设置pii）控制器的参数kp,ki,kd：6. 对pi参数进行整定：3=19=d : rl.il id (£)器瞎爭gid 6pgs=l 8=d :斗陳 id (£)霁畔aid 8pg8=10=d :鼻憐i耳当(2)器晔爭（12厶巾園图4.10 pid控制器通过多次仿真比较，可发现当p二6 i二2时的参数比较适合，故本设计采用 p二6 i二2的pi调节。五总结本次设计的水塔温度控制系统，采用串级控制系统实现对温度的控制。 此系统改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量，能迅速克服进入副 回路的二次扰动，提高了系统的工作频率，对负荷变化